V nabídce výrobce integrovaných obvodů National Semiconductor lze od letošního roku nalézt úplně novou řadu integrovaných teplotních senzorů vhodné jako pro běžná měření tak pro přesné měření teploty procesorů a FPGA se PN teplotním snímačem na chipu. Pro tyto účely je tato řada vybavena některými vlastnostmi, které zvyšují přesnost měření. Tato technologie je označena jako TruTherm? Technology.

LM 95231

Integrovaný teplotní senzor LM95231 je na stránkách firmy a v datasheetu popsán jako "Precision Dual Remote Diode Temperature Sensor with SMBus Interface and TruTherm? Technology = Přesný teplotní senzor pro dvě externí diody s SMBus rozhraním a TruTherm technologií". Výraznou odlišnost od jiných podobně koncipovaných senzorů je právě v technologii TruTherm. Tu lze softwarově zapnout a pak provádí odlišnou aproximaci teplotní závislosti PN přechodu než je u podobných senzoru běžné. Tím lze dosáhnout přesnosti až 0.75 °C i v případech, kde běžné provedení senzoru má přesnost pouze 1.5 °C.

Vezmě me to však popis tohoto senzoru popořádku. Dle 8vývodového poudra MSOP vypadá LM95231 jako velmi jednoduchý teplotní senzor. Vývody ukazují, mimo napájení VDD (3.3 V) a GDD, přítomnost obousměrné sériové komunikace - rozhraní SMBus (datová linka SMBDAT a taktování SMBCLK) a možnost připojení dvou externích polovodičových PN teplotních snímačů - diody D1 a D2. To umožňuje měřit teplotu na vzdálených místech, mimo dosah samotného pouzdra senzoru. Právě vývodů D1+/D1- a D2+/D2- se týká zmíněná technologie TruTherm (popis viz níže). K dispozici je i třetí teplotní snímač, který je klasicky integrovaný uvnitř pouzdra. Ten má také nejnižší přesnost (3.0°C).

Blokové schéma vnitřního zapojení senzoru LM95231

Na blokovém schéma vnitřní stavby chipu lze mimo bloků pro zmíněná rozhraní/vývody nalézt i blok technologie TruTherm a paměťový blok obsahující komunikační a řídící registry, nalézt i 11bitový sigma-delta A/D převodník s programově nastavitelným rozlišením 10bitů (9+znaménko), 11bitů (10+znaménko) nebo 13bitů (12+znaménko). 13bitového rozlišení z 11bitového převodníku se dosahuje filtrováním a interpolací. Tím se zvýší rozlišení měření teploty až na 0.03125 °C. Změřené a digitalizované hodnoty teploty se pak ukládají do tří 16bitových datových registrů (Local Temperature Register, Remote 1 Temperature Register a Remote 2Temperature Register), každý přísluší jednomu teplotnímu snímači. Hodnoty lze pak přečíst přes sériovou SMBus sběrnici. Měřit teplotu lze v kontinuálním módu, kdy se provádí převod pořád dokola (jedno změření a převod trvá 75 až 88 ms dle počtu bitů a zapnutého/vypnutého TruTherm módu), nebo One-shot módu, kdy se po zaslání příkazu po sběrnici provede jednorázové změření hodnoty teploty a jejího vyslání. Druhý režim umožňuje výrazně šetřit energii - snížit spotřebu obvodu.

Zapojení vývodů - vstupů pro snímače D+,D- (Circuit A), napájecí (Circuit B), SMBus (Circuit C)

Následující obrázek s příkladem zapojení a použití senzoru naznačuje jeho hlavní zacílení. Primárně je navržen pro měření teploty 90 nm procesorů Pentium 4 a obecně teploty PN snímačem MMBT3904. Samozřejmě lze na vstupy připojit i libovolný jiný PN teplotní snímač, ale právě pro oba výše zmíněné se tímto senzorem dosáhne nejlepší přesnost měření. Integrovaný obvod je totiž na ně optimalizovaný prostřednictvím již několikrát zmíněné technologie TruTherm.

Příklad zapojení a použití senzoru teploty LM95231

Princip technologie TruTherm

Aby byl vidět její přínos, je nejdříve nutné si ukázat jakým způsobem se běžně měří teplota teplotních snímačů s PN přechodem, tj. i v tomto obvodu, pokud je TruTherm softwarově vypnuto v Diode TruTherm Control Registru. Tedy jak je všeobecně známo, VA charakteristika PN přechodu, tj. závislost napětí a proudu PN přechodem, je dána Schocklyho rovnicí:

kde q = 1.6x10-19 Coulombs (náboj elektornu), T = absolutní teplota v Kelvinech, k = 1.38x10-23 J/K (Boltzmannova konstanta), ? koeficient reprezentující neideálnost PN přechodu, IS = saturační proud, IF = dopředný proud emitorovým přechodem, VBE = napětí na přechodu báze-emitor

Z ní lze vyjádřit z teplotního napětí Vt závislost teploty na napětí a proudu. Všeobecně a běžně se za určitých podmínek, které se předpokládají, že jsou splněny, provádí zjednodušení vzorce zanedbáním některých proměnných (např. proudu Is a koeficientu -1). Po všech úpravách tak dostaneme běžně používaný vztah pro zjištění teploty PN přechodu, resp. diody či tranzistoru:

V některých případech vak nejsou požadované podmínky dost dobře splněny, což se začne již znatelně projevovat na přesnosti měření teploty. Právě v případě měření vnitřní teploty procesorů jejich na chipu integrovanými PN snímači, již nejsou podmínky úplně splněny, což obvykle obvykle způsobuje nepřesnost i více než 3°C. Pro tyto účely je vhodná následují verze vzorce:

A právě tento vztah v sobě mimo jiné aplikuje TruTherm technologie (rozdíl je v použití kolektorových proudů IC místo emitorových IF - viz obrázek). Navíc je k tomu přidáno pár konstant zahrnující odlišný odvod tepla pro různé polovodičové technologie (zde 90 nm) a výsledkem je přesnost měření 0.75°C. Toto nastavení je ideální pro měření teploty v procesoru Intel Pentium 4, který má přímo na chipu integrovaný tranzistorový PN teplotní snímač. Pro jiné externí snímače typu 2N3904, jako je například tranzistor MMBT3904, je vhodné TrueTherm technologii vypnout, čímž se v platnost opět dostane "klasický" vzorec. Přesnost měření teploty je pak 1.25 °C. Zvolení mezi těmito dvěma snímači se provádí softwarově v Diod Type Selection Registeru.

Připojení snímacích tranzistorů - PN teplotní snímač na procesoru Pentium 4, MMBT3904

SMBus komunikace

Veškeré řízení a komunikace se snímačem se provádí prostřednictvím SMBus sběrnice, kde datový vývod SMDAT je obousměrný, tzn. umožňuje jak zápis do vnitřních registrů, tak jejich čtení, zatímco vývod SMBCLK je jen vstup pro taktování z externího zdroje - nejčastěji nadřazeného Master mikrokontroléru. Senzor nemá generátor. Hodiny mohou být v rozsahu 10 až 100 kHz. Průběh čtení a zápisu je dost podobný - viz následující obrázky - hlavně se liší R/W bitem přenášený po adresovém bajtu (Address Byte). Na konci každého přenosu každého bajtu vždy protější strana vysílá potvrzovací bit (Ack).

Zápis dat do teplotního senzoru LM95231
 

Čtení dat z teplotního senzoru LM95231

Hlavní parametry:

• Teplotní snímače: 2x připojitelný externí PN snímač (Pentium 4, 2N3904, MMBT3904), 1x interní PN snímač na chipu
• Snímací teplotní rozsah/přesnost:
  • Externí snímače:
    • Pentium 4 90 nm - 45°C až 85°C/?0.75 °C, 25°C až 140°C/?2.5 °C
    • 2N3904, MMBT3904 - 45°C až 85°C/?1.25 °C, 25°C až 140°C/?2.5 °C
  • Interní snímač: 0°C až 85°C/?3.0 °C
• Rozlišení: 10bitů (0.25 °C), 11bitů (0.125 °C) a 13bitů (0.03125 °C)
• Převodní čas: 83.9 ms (bez TruTherm módu), 87.7ms (s TruTherm módem)
• Komunikační rozhraní: SMBus 2.0
• Napájecí napětí: 3.0 V až 3.6 V
• Spotřeba: typ. 542 ?A / 272 ?A (Shutdown mód)
• Další vlastnosti: kontinuální/One-shot měření teploty, Shutdown mód, SMBus komunikace - výrobcem definovaná adresa senzoru

LM95241

Teplotní senzor LM95241 je prakticky skoro shodný s typem 231. Hlavní rozdíl je v podpoře TruTherm technologie i integrovaných teplotních snímačů na chipů 65nm procesorů Intel a AMD. Také se vyznačuje nižší spotřebou typ. 471 ?A.

Příklad zapojení a použití senzoru teploty LM95241

LM92534

LM92534 představuje další rozšíření teplotního senzoru LM95241. Nejmarkantnějším rozdílem je možnost připojit 4 externí teplotní PN snímače, tzv. RDTS, 3 komparační výstupy TCRIT. Ty se změní svůj stav, když naměřená hodnota teploty překročí uloženu hodnotu v jednom ze tří TCRIT registrů.

Hlavní parametry:

• Teplotní snímače: 4x připojitelný externí PN snímač (65 a 90 nm procesory, 2N3904, MMBT3904 apod.), 1x interní PN snímač na chipu
• Snímací teplotní rozsah/přesnost:
  • Externí snímače:
    • Pentium 4 90 nm - 45°C až 85°C/?0.75 °C, 25°C až 140°C/?2.5 °C
    • 2N3904, MMBT3904 - 45°C až 85°C/?1.25 °C, 25°C až 140°C/?2.5 °C
  • Interní snímač: 0°C až 85°C/?2.0 °C
• Rozlišení: 10bitů (0.25 °C), 11bitů (0.125 °C) a 13bitů (0.03125 °C)
• Převodní čas: 83.9 ms (bez TruTherm módu), 87.7ms (s TruTherm módem)
• Komunikační rozhraní: SMBus 2.0, 3x komparační výstup
• Formát čísla teploty: +127.875°C/?128°C nebo 0°C/255°C
• Napájecí napětí: 3.0 V až 3.6 V
• Spotřeba: typ. 542 ?A / 272 ?A (Shutdown mód)
• Další vlastnosti: kontinuální/One-shot měření teploty, Shutdown mód

Příklad zapojení a použití senzoru teploty LM95234

Závěr

V tomto článku jsem se pokusil nejen představit nové integrované teplotní senzory firmy National Semiconductor LM952xx, ale i stručně uvést princip technologie TruTherm. A protože v nabídce integrovaných obvodů označených LMxxxx je více zajímavých snímačů, v blízké budoucnosti naleznete na stránkách serveru automatizace.HW.cz i další články.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovské stránky firmy National Semiconductor - www.national.com
  
• Datasheet obvodu LM95231 - LM95231.pdf
• Datasheet obvodu LM95234 - LM95234.pdf
• Datasheet obvodu LM95241 - LM95241.pdf
  
  
• Článek o digitálních senzorech teploty Texas Instruments
• Články o analogových a digitálních teplotních senzorech Analog Devices
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz